JP3766762B2

JP3766762B2 - Magnetron sputtering method and apparatus

Info

Publication number: JP3766762B2
Application number: JP08938899A
Authority: JP
Inventors: 隆志宮本; 栄治岩村; 佳之細川; 隆木下
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2000282235A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硬質保護皮膜、透明導電性皮膜、磁気記録皮膜などの成膜に使用されるマグネトロンスパッタリング方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年需要が急増している各種半導体装置や磁気記録媒体、あるいは磁気記録ヘッド、ディスプレーパネル、プリンターヘッドその他の電子部材用の薄膜、あるいは摺動部材や工具、金型への硬質皮膜、磁気・光学部品などへの硬質保護膜の形成には、広くスパッタリングによる成膜手法が採用されている。スパッタリングを利用した該成膜手法の特徴としては、安定した品質の膜が再現性よく成膜できること、大面積の基板への成膜が比較的容易であること、様々の合金や化合物を用いた成膜が可能であること、等が挙げられる。
【０００３】
上記スパッタリング法の中でも、ターゲットの背後に配置したマグネットによる磁界でターゲット表面にプラズマを収束させる様にした所謂マグネトロンカソードを用いたマグネトロンスパッタリング法は、成膜速度が速く且つ量産性にも優れていることから、一般に広く採用されている。また、その特徴を更に高めるため、ターゲット裏面に配置される永久磁石や電磁石の強度を高めてターゲット表面の磁場を強くする方法、ターゲットに供給される直流電力に高周波電力を印加してプラズマ密度を高めスパッタリングの効率を高める方法など、幾つかの改良研究も進められている。
【０００４】
この種のマグネトロンスパッタリング法では、成膜に用いるターゲット材の背面に、逆極性を有する２対の磁極からなる永久磁石または電磁石を配置し、ターゲット全面に漏洩磁場を形成することによってイオン化率を高める所謂マグネトロンスパッタリングカソードを用いており、効率的なイオン化による高密度プラズマの形成と高速スパッタリングを可能にしている。通常のマグネトロンスパッタリングカソードでは上記対向する磁極から発生する磁束がちょうど釣り合って、磁力線がターゲット前面の空間で閉じる様に設計されている。そしてターゲット面上の空間で発生するプラズマは、この閉じた磁力線によって強くトラップされターゲット面近傍に収束している。そして、スパッタリングされて基板上に堆積することにより形成される薄膜は、プラズマの分布しているターゲット近傍の領域から離れた場所でプラズマの影響を受けないで成長させることも可能であり、高速でしかも低ダメージの成膜を可能にしている。
【０００５】
一方、上記の通常のマグネトロンスパッタリングとは異なった所謂アンバランスドマグネトロンスパッタリング方法も知られている。この方法は、通常のマグネトロンスパッタリング法（以下、バランスドマグネトロンスパッタリング法と記す）を用いて成膜する際に、非平衡な磁場分布を有するマグネトロンカソードを使用するところに特徴を有している。
【０００６】
ここで非平衡な磁場分布を有するマグネトロンカソードとは、図１に略示如く、スパッタリングターゲット１表面を通る平面のうち、スパッタリングカソードを構成する永久磁石Ｍまたは電磁石ＥＭの磁極をすべて含む最小の半無間円柱または角柱領域によって切られる領域での漏洩磁場の、当該平面に対する垂直成分の積分値がゼロでない値を有するように設計された所謂アンバランスドマグネトロンカソードであり（図中、符号２は基板、３はバッキングプレート、４は鉄ヨークを示している）、これまでのバランスドマグネトロンカソードの設計に見られる様な、ターゲット１の面を貫通する特定の磁極、例えばＮ極からの磁束とＳ極への磁束との釣り合いを意図的に崩したところに特徴を有している。
【０００７】
この様なアンバランスドマグネトロンカソードは、例えば「Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ４（２），ｐｐ１８６−２０２，１９８６」にも示されている様に、従来は成膜速度の向上や基板バイアス印加時のイオン電流の増大を目的として硬質皮膜の形成などに用いられている。
【０００８】
非平衡な磁場分布を実現する方法としては、バランスドマグネトロンカソードの外周部に設置した電磁石（図１の符号ＥＭなど）を動作させる方法や、外周部に可動式の永久磁石を設置してその位置を変える方法などがある。更に、バランスドマグネトロンカソードとして用いられるフェライト磁石の一部を、例えば希土類−コバルト系或いは希土類−鉄−ホウ素系の如き強力な磁石に置換する方法もある。
【０００９】
そして、非平衡な磁場分布を有するアンバランスドマグネトロンカソードを用いた場合は、従来のバランスドマグネトロンカソードにおいて釣り合いが取られていた磁場のバランスを意図的に崩すことによって、ターゲットから基板方向に向かう磁力線を形成し、ターゲット近傍で発生したプラズマの磁力線に沿った拡散を促進することにより、基板近傍でのプラズマ密度を高めることが可能になる。
【００１０】
またプラズマ密度の上昇により、高温の電子ガスによる基板表面の加熱効果、反応性スパッタリングにおける反応の促進、更には、基板に負の電圧を印加しプラズマ中の正イオンを基板方向に加速して薄膜へ照射するバイアススパッタリングでのイオン照射の増加、などの効果を得ることができるので、これまで高温の基板上での成膜が必要とされていた薄膜形成の低温化、あるいは基板バイアス印加による硬質膜形成での膜硬度の向上、などの効果が期待される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
アンバランスドマグネトロンスパッタリングでは、ターゲット表面近傍で形成されたプラズマの基板近傍への拡散を促し、基板上に形成される薄膜に対してプラズマの作用を促進させることにより、従来のバランスドマグネトロン方法では実現することのできない成膜の低温化、あるいはバイアススパッタリングにおける硬質膜の硬度上昇など、所謂プラズマアシスト効果を得ることが可能となることは前述の通りである。
【００１２】
また、アンバランスドマグネトロンカソードで形成される磁場は、バランスドマグネトロンカソードで形成される磁場分布とは異なり、ターゲットから基板方向に伸びる磁力線が形成されていることが大きな特長となっている。その結果として、ターゲット表面付近で形成されたプラズマがこの磁力線に沿って基板方向へ拡散し、基板近傍でのプラズマ密度の上昇を実現している。
【００１３】
上記プラズマの拡散は、アンバランスドマグネトロンカソードにおける最大の特長となっているが、本発明者らが種々研究を進めるうち、現状のアンバランスドマグネトロンカソードを使用すると大きな問題を生じることが確認された。即ち、従来のバランスドマグネトロンカソードを用いて成膜した場合に問題とならなかった「基板面内での膜質不均質」の問題がしばしば生じることである。
【００１４】
例えば、アンバランスドマグネトロンカソードを用いて成膜されたインジウム錫酸化物透明導電膜（ＩＴＯ膜）では、比抵抗が基板面内で不均一になるという問題が生じる。また近年、摺動部材、金型、切削工具類、耐摩耗性機械部品、研磨材、磁気・光学部品の如き各種部材の保護膜として利用されつつあるダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）では、膜の硬度が基板面内で不均一な分布を持ってしまうという問題も生じることが分かった。
【００１５】
基板面内での膜質の不均一分布は、現状のアンバランスドマグネトロンカソードを用いた場合でも、例えば基板サイズに対してターゲットサイズを極端に大きくすることにより緩和できるが、この方法では、装置サイズを極端に大きくしなければならなくなるばかりでなく、成膜効率も極端に低下するので実用性を欠く。
【００１６】
本発明はこの様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、アンバランスドマグネトロンスパッタリングの前述した特長を維持しつつ、また、通常のスパッタリング手法で用いられるのと実質的に同等の大きさの基板面内で、均一な膜質を確実に得ることのできるマグネトロンスパッタリング方法と装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明に係るマグネトロンスパッタリング方法とは、基板上に膜を形成するためのマグネトロンスパッタリング方法であって、基板の全面に垂直磁場を作用させてスパッタリングを行なうところに要旨が存在する。またこの発明を別の観点からみると、基板上に膜を形成するためのマグネトロンスパッタリング方法であって、基板を、当該基板面に対し水平な磁場を形成する位置から外してスパッタリングを行なう方法である点においてもその特徴を見出すことができる。
【００１８】
この方法を実施する際に用いられるスパッタリングカソードとしては、非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタカソードが好ましく、またカソード部に配置される永久磁石または電磁石の磁極数を３極以上とすれば、本発明をより効率よく遂行し易くなるので好ましい。
【００１９】
上記本発明の方法は、様々の種類の基材および膜素材に適用することができ、それらの種類は特に制限されないが、本発明によってもたらされる膜質の均一化という特徴を有効に活かす意味から、特に透明導電性薄膜やダイヤモンドライクカーボン薄膜などの形成に極めて有効である。
【００２０】
また本発明に係るマグネトロンスパッタ装置は、上記方法の実施に有効に利用される装置の構成を特定するもので、第一の構成は基板上に膜を形成するためのマグネトロンスパッタリング装置であって、該スパッタリング装置内の基板配置位置が、当該基板の全面に垂直磁場が形成される位置に設定され、あるいは、該スパッタリング装置内における基板配置位置を、水平磁場形成位置から外れる位置に設定してなるところに特徴を有している。
【００２１】
【発明の実施の形態】
前述の如くアンバランスドマグネトロンカソードでは、ターゲット近傍で生成したプラズマを従来のバランスドマグネトロンカソードの様にターゲット近傍に収束させるのではなく、カソードからの磁場のバランスを意図的に崩すことによって基板近傍にまで拡散させている。このことが、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法を採用した成膜の特長であるプラズマアシストを可能にしている。
【００２２】
しかしながら、このプラズマアシスト効果が基板面内で均一に作用しているという保証はなく、このことが、基板面内で膜質が不均一分布を生じる原因になっていると考えられる。このことを図２を用いて説明すると、図２は一軸対称の円形アンバランスドマグネトロンカソードにおけるプラズマの拡散状態を示す右半部模式図であり、プラズマは、ターゲット１上における漏洩磁場強度の高い図中のＡ部分で生成され、生成したプラズマは逐次基板２方向へと拡散していく。
【００２３】
先に説明した様に、基板２上に形成される薄膜に及ぼすプラズマアシスト効果は、基板２直近からの高温電子ガスによる加熱効果、あるいは基板バイアスを基板１に印加してプラズマ中からイオンを引き込み、基板２を照射しながら成膜されるときのイオン照射効果であるため、いずれの場合も、基板２直近でのプラズマ密度が重要になってくると思われる。
【００２４】
そして、アンバランスドマグネトロンカソードを用いた従来法を採用したときに、基板面内で膜質の不均一分布を生じる原因は、この成膜手法を採用する際に、基板面内でのプラズマアシスト効果を均一にする為の手だてが講じられていないためと思われ、こうした膜質の不均一分布を軽減するには、基板近傍でのプラズマの密度を可及的に均一化することが必要と思われる。
【００２５】
そこで本発明者らは、基板近傍でのプラズマ形成状況の確認を含めて更に詳細に検討を進めた。
【００２６】
その結果、
1)図２に示した様なアンバランスドマグネトロンカソードでは、図中のＡ領域生成したプラズマは、両極性拡散と呼ばれる拡散により実線矢印で示した磁力線に沿って基板近傍にまで拡散していくこと、
2)そしてこの図で説明すると、基板近傍までの拡散パスとして、白抜き矢印で示す如く左右の磁力線に沿った拡散パスが形成され、その結果、プラズマは基板２面上のＢ領域に集中的に拡散していくこと、
3)この様なプラズマの集中は、プラズマの拡散が磁力線に沿って生じるため、磁力線が基板２面上で収束している場所、つまり基板２面内で磁力線が基板面に平行になっている場所、換言すると磁場の基板面に垂直な成分がゼロになる領域で生じること、
4)従って、基板２面上でこの様な磁力線の収束領域ができない様にすれば、プラズマの集中が回避され、基板面全域で均一なプラズマアシスト効果が得られること
が確認された。
【００２７】
本発明はこうした知見に基づいてなされたもので、基本的には、図２に示した様に、基板２面上で磁力線の収束領域ができない様にしてプラズマの集中を回避し、プラズマアシスト効果を基板面全域に均一に作用させ得るようにしたところにあり、そのための具体的な手段として、基板の全面に当該基板面に対して垂直な磁場を作用させることによって、磁場の基板面に垂直な成分がゼロになる場所を無くし、言い換えると、基板を当該基板面に対し水平な磁場を形成する位置から外してスパッタリングを行なえば、上記の様な磁力線の収束領域ができなくなり、基板全面に亘って均一な皮膜形成が可能になることを確認したのである。
【００２８】
そして、磁場の基板面に垂直な成分がゼロになる場所をなくし、基板面の全域に当該基板面に対して垂直な磁場を確実に作用させには、スパッタリング装置を構成するカソード、コイルあるいはその他の永久磁石や電磁石によって生じる磁力に応じて、当該装置内の基板配設位置を、当該基板面に対し水平な磁場を形成する位置から外れる位置に設定すればよい。
【００２９】
そのための手段は特に制限されないが、好ましい具体策としては、
▲１▼アンバランスドマグネトロンカソードにおけるＮ極およびＳ極のいずれか一方の磁力を十分に大きくし、且つターゲットと基板間の距離を適切な値に設定し、あるいは、
▲２▼磁極の数を通常の２極から３極以上に増加すると共にそれらの磁力を調整し、且つ基板を適切な位置に配設し、あるいは
▲３▼付加コイルを使用し、基板に対して垂直方向への磁場を印加することにより、基板面内における磁場の垂直方向成分を一定の方向に偏向させる方法
などを採用すればよい。
【００３０】
また装置の構成上可能であれば、基板の裏側、つまりターゲットに面していない反対側の面に磁石またはコイルを配置し、基板面内における磁場の垂直方向成分を一定の方向に偏向させる方法を採用することも有効である。
【００３１】
本発明によれば、様々の金属や合金、セラミックスなどからなる基板や膜形成素材（ターゲット材）を用いて、上記の様に基板面に形成される膜の全面に亘る膜質を均一にすることができるので、こうした特長を活かして様々の用途に幅広く有効に活用できる。具体的には、各種半導体装置、磁気記録媒体あるいは磁気記録ヘッド、ディスプレーパネル、プリンターヘッドその他の電気・電子部品を加工する際の薄膜形成、あるいは摺動部材や工具、金型への硬質皮膜の形成、磁気・光学部品への硬質保護膜の形成などに幅広く活用できる。
【００３２】
中でも、フラットディスプレーパネルや太陽電池の透明電極用として使用する際に形成される透明導電性薄膜には、表面全域で均質な導電性を有する薄膜が求められ、また、各種金型用耐摩耗保護膜、工具用硬質膜、磁気記録媒体用保護膜などの表面に形成される硬質皮膜として最近ダイヤモンドライクカーボン薄膜が注目されており、該薄膜の特長を活かす上でも高い均質性が求められるが、本発明は、これら透明導電性薄膜やダイヤモンドライクカーボン薄膜などの形成に極めて有効に活用できる。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に設計を変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３４】
実施例１
アンバランスドマグネトロン（以下、ＵＢＭと略記する）スパッタリングカソードを用いて透明導電性（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）薄膜の形成を行なった。ＵＢＭスパッタリングカソードとしては、図３に示した標準のＵＢＭカソードである非平衡マグネトロンカソードＡを用いた。図中、１はターゲット、３は鉄ヨーク、４は銅製バッキングプレート、５はアースシールドであり、ターゲット１の上方に所定の間隔を空けて配置される基板は図面に現われていない。またターゲット１の素材としては、高密度の焼結ＩＴＯターゲットを使用し、成膜条件は下記の通りとした。
【００３５】
スパッタリングガス圧：１ｍｔｏｒｒ
酸素分圧：５×１０^-6ｔｏｒｒ
基板：ＣＯＲＮＩＮＧ＃１７３７（コーニング社製）、厚さ０．５ｍｍ
基板温度：２００℃
基板加熱法：ランプヒーターによる加熱
基板−ターゲット間距離：７５ｍｍ
ターゲットサイズ：直径６インチ、厚さ５ｍｍ
成膜パワー：３５０ＷＤＣ放電
ＩＴＯ膜厚：２，０００Å。
【００３６】
この時の基板上での垂直磁場の測定結果を図７に示す。また、得られたＩＴＯ膜の比抵抗の測定結果を図１８に示す。これらの図からも明らかな様にこの実施例では、本発明で必須の要件として定める基板面内の全領域で垂直磁場が形成されているため、均一な膜質のＩＴＯ膜が形成されている。
【００３７】
比較例１
基板とターゲット間の距離を５０ｍｍに変えた以外は、上記実施例１と同じ条件でＩＴＯ膜を形成した。従って、使用したＵＢＭカソードは、図３に示した非平衡マグネトロンカソードＡである。この時の基板上での垂直磁場の測定結果を図８に、また得られたＩＴＯ膜の比抵抗の測定結果を図１９に示す。
【００３８】
この例では、図１４として示したベクトルポテンシャル分布図からも明らかな様に、カソード磁石から伸びてくる磁力線の一部が基板面近傍でループを形成しており、基板面内の中心から半径約２３ｍｍ離れた位置付近で磁場の垂直成分がゼロとなり、「基板全面に垂直磁場を作用させる」という本発明の要件を満たしていないため、図１９に示す如くＩＴＯ膜の膜質は直径方向で不均一になっている。
【００３９】
比較例２
前記実施例１および比較例１で用いたのと同じ非平衡マグネトロンカソードＡを使用し、ターゲットしては高密度の焼結カーボンターゲットを用いてダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜の形成を行なった。成膜条件は下記の通りとした。
【００４０】
スパッタリングガス圧：３ｍｔｏｒｒ
基板：ポリッシュ超硬基板
基板温度：室温（裏面水冷）
基板−ターゲット間距離：５０ｍｍ
ターゲットサイズ：直径６インチ、厚さ５ｍｍ
成膜パワー：１０００ＷＤＣ放電
ＤＬＣ膜厚：８，０００Å
基板バイス：−２００Ｖ。
【００４１】
この場合は、前記比較例１と同様に、基板上での垂直磁場は基板面内の半径約２３ｍｍ付近で磁場の垂直成分がゼロになる（図１４参照）。即ち、磁場の垂直成分が基板面内でゼロになってしまう領域が存在し本発明の要件を満たしていないため、図２０に示す如くＤＬＣ膜の膜質が不均一になり、基板上での磁場の垂直成分がゼロである領域でＤＬＣ膜の硬度が高くなっている。これは、該領域でプラズマ密度が高くなり、基板バイアス印加によるイオン照射の作用が強く働いたためと考えられる。
【００４２】
実施例２
ＵＢＭカソードとして、図４に示す構造の非平衡マグネトロンカソードＢ（図中の符号１〜５は前記と同じ意味、符号６は空芯コイルを表わす）を用いた以外は、前記比較例１と同じ条件でＩＴＯ膜を形成した。この非平衡マグネトロンカソードＢでは、図４に示す如く、標準的ＵＢＭカソードの外周部に空芯コイル６を配置し、１０Ａのコイル電流によりターゲット１から基板（図４におけるターゲット１の上方５０ｍｍの位置に配置されている）に向かって一方向の磁場を加えた。この時の基板上での垂直磁揚の測定結果を図９に、また、得られたＩＴＯ膜の比抵抗の測定結果を図２１に示す。
【００４３】
この例では、図１５に示したベクトルポテンシャル分布からも明らかな様に、空芯コイル６からの磁場を印加することにより磁力線の分布を修正し、基板２面内での磁場の垂直成分がゼロになる領域を無くしているため、ＩＴＯ膜の膜質不均一が解消されている。
【００４４】
実施例３
ＵＢＭカソードとして図５（図中の符号は前記と同じ意味を表わす）に示す構造の非平衡マグネトロンカソードＣを使用した以外は、前記比較例１と同じ条件でＩＴＯ膜を形成した。この非平衡マグネトロンカソードＣでは、標準的ＵＢＭカソードである前記非平衡マグネトロンカソードＡにおけるセンター磁極（図３中でＳと記載されている磁極）を小さくする一方、外周側のリング磁石（図３中でＮと記載されている磁極）を大きくしている。この時の基板上での垂直磁場の測定結果を図１０に、また、得られたＩＴＯ膜の比抵抗の測定結果を図２２に示す。
【００４５】
これらの図からも明らかな様に、本例では、Ｓ，Ｎ磁極の大きさ調整によって前記実施例２と同様に磁力線の分布が修正され、基板面内での磁場の垂直成分がゼロになる領域を無くすことにより、得られるＩＴＯ膜の膜質不均一が解消されている。
【００４６】
実施例４
ＵＢＭカソードとして図６に示す構造の非平衡マグネトロンカソードＤを用いてＩＴＯ膜の形成を行なった。成膜条件は、前記比較例１と同じにした。
【００４７】
この非平衝マグネトロンカソードＤでは、標準的ＵＢＭカソードである前記非平衡マグネトロンカソードＡにおける磁極を、図６に示す如く２極から３極に変更し、図中の磁石Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃとして夫々Ｓｍ・Ｃｏ磁石、フェライト磁石、Ｓｍ・Ｃｏ磁石を用いた。また磁極の向きを内側から順にＮ，Ｓ，Ｎとなる様に配置した。このカソードを用いたときの基板上での垂直磁場の測定結果を図１１に、また、得られたＩＴＯ膜の比抵抗測定結果を図２３に示す。
【００４８】
この実施例では、図１６に示すベクトルポテンシャル分布からも明らかな様に、カソード磁極を３極に分割し磁石の配置を適正に調整することによって磁力線の分布が修正され、基板面内での磁場の垂直成分がゼロになる領域を無くしているので、得られるＩＴＯ膜の膜質不均一が解消されている。
【００４９】
比較例３
ＵＢＭカソードとして前記図６に示した構造の非平衡マグネトロンカソードＤを使用してＩＴＯ膜の形成を行なった。成膜条件は、前記比較例１と同じとした。
【００５０】
本例では、非平衡マグネトロンカソードＤの磁石Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃとして何れもＳｍ・Ｃｏ磁石を用いた。また、磁極の向きを内側から順にＮ，Ｓ，Ｎとなる様に配置した。このカソードを用いたときの基板上での垂直磁場の測定結果を図１２に、また、得られたＩＴＯ膜の比抵抗測定結果を図２４に示す。
【００５１】
この比較例では、図１７に示すベクトルポテンシャル分布からも明らかな様に、磁石の配置と強度が適切でないため磁力線の分布が不適当であり、基板面内で磁場の垂直成分がゼロになる領域が生じている。しかも、図１７からも明らかな様に基板外周側にプラズマが拡散してしまうため、ＩＴＯ膜の膜質が外周側で大幅に低下している。
【００５２】
比較例４
前記比較例３で用いたのと同じカソードを使用し、前記比較例２と同じ条件でＤＬＣ膜の形成を行なった。このとき、前記比較例３と同様に基板上での垂直磁場は、図１２に示す如く基板面内の中心から半径約４７ｍｍ付近で磁場の垂直成分がゼロになるため、この領域でのプラズマ密度が高くなってＤＬＣ膜の硬度が高くなっている。即ちこの比較例でも基板面内の全ての領域で垂直磁場を作用させるという本発明の要件を満たしていないため、均一な膜質のＤＬＣ膜を形成できない。
【００５３】
実施例５
ＵＢＭカソードとして前記図６に示した構造の非平衡マグネトロンカソードＤを使用し、ＤＬＣ膜の形成を行なった。成膜条件は前記比較例２と同一とした。
【００５４】
本例では、非平衡マグネトロンカソードＤの磁石Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃとして、それぞれＳｍ・Ｃｏ磁石、フェライト磁石、フェライト磁石を使用し、また磁極の向きが内側から順にＮ，Ｓ，Ｎとなる様に配置した。このカソードを用いたときの基板上での垂直磁場の測定結果を図１３に、また得られたＤＬＣ薄膜の硬度測定結果を図２６に示す。
【００５５】
この例では、カソード磁極を３極に分割すると共に各磁石の配置位置を適正にすることにより、磁力線の分布がうまく修正されて基板面内での磁場の垂直成分がゼロになる領域を無くすことができ、得られるＤＬＣ膜の膜質不均一が解消されている。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、任意の基板表面に、様々の金属や合金、セラミックスなどからなる膜質の均一な薄膜を確実に得ることができるので、透明導電性薄膜やダイヤモンドライクカーボン薄膜などをはじめとして、各種半導体装置、磁気記録媒体あるいは磁気記録ヘッド、ディスプレーパネル、プリンターヘッドその他の電気・電子部品を加工する際の薄膜形成、あるいは摺動部材や工具、金型への硬質皮膜の形成、磁気・光学部品への硬質保護膜の形成などに幅広く活用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】非平衡な磁場分布を有するマグネトロンカソードを用いたスパッタリング状況を示す模式図である。
【図２】非平衡な磁場分布を有するマグネトロンカソードを用いたスパッタリング時のプラズマの拡散状態を示す模式図である。
【図３】実施例で用いた非平衡マグネトロンカソードＡの構造を示す説明図である。
【図４】実施例で用いた非平衡マグネトロンカソードＢをの構造を示す説明図である。
【図５】実施例で用いた非平衡マグネトロンカソードＣの構造を示す説明図である。
【図６】実施例で用いた非平衡マグネトロンカソードＤの構造を示す説明図である。
【図７】実施例１における基板面内の垂直磁場分布を示す図である。
【図８】比較例１における基板面内の垂直磁場分布を示す図である。
【図９】実施例２における基板面内の垂直磁場分布を示す図である。
【図１０】実施例３における基板面内の垂直磁場分布を示す図である。
【図１１】実施例４における基板面内の垂直磁場分布を示す図である。
【図１２】比較例３における基板面内の垂直磁場分布を示す図である。
【図１３】実施例５における基板面内の垂直磁場分布を示す図である。
【図１４】比較例１を実施する際の磁力線のベクトルポテンシャル分布を示す図である。
【図１５】実施例２を実施する際の磁力線のベクトルポテンシャル分布を示す図である。
【図１６】実施例４を実施する際の磁力線のベクトルポテンシャル分布を示す図である。
【図１７】比較例３を実施する際の磁力線のベクトルポテンシャル分布を示す図である。
【図１８】実施例１で得たＩＴＯ膜の、中心位置からの距離と比抵抗の関係を示すグラフである。
【図１９】比較例１で得たＩＴＯ膜の、中心位置からの距離と比抵抗の関係を示すグラフである。
【図２０】比較例２で得たＤＬＣ膜の、中心位置からの距離と硬度の関係を示すグラフである。
【図２１】実施例２で得たＩＴＯ膜の、中心位置からの距離と比抵抗の関係を示すグラフである。
【図２２】実施例３で得たＩＴＯ膜の、中心位置からの距離と比抵抗の関係を示すグラフである。
【図２３】実施例４で得たＩＴＯ膜の、中心位置からの距離と比抵抗の関係を示すグラフである。
【図２４】比較例３で得たＩＴＯ膜の、中心位置からの距離と比抵抗の関係を示すグラフである。
【図２５】比較例４で得たＤＬＣ膜の、中心位置からの距離と硬度の関係を示すグラフである。
【図２６】実施例５で得たＤＬＣ膜の、中心位置からの距離と硬度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１スパッタリングターゲット
２基板
３バッキングプレート
４鉄ヨーク
５アースシールド
Ｍ永久磁石
ＥＭ電磁石[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetron sputtering method and apparatus used for forming a hard protective film, a transparent conductive film, a magnetic recording film, and the like.
[0002]
[Prior art]
Various semiconductor devices and magnetic recording media whose demand has been increasing rapidly in recent years, thin films for magnetic recording heads, display panels, printer heads and other electronic members, or hard coatings on sliding members, tools and molds, and magnetic / optical For forming a hard protective film on a component or the like, a film forming technique by sputtering is widely adopted. The characteristics of the film formation method using sputtering are that a stable quality film can be formed with good reproducibility, that film formation on a large-area substrate is relatively easy, and various alloys and compounds are used. It is possible to form a film.
[0003]
Among the sputtering methods described above, the magnetron sputtering method using a so-called magnetron cathode in which the plasma is focused on the target surface by a magnetic field by a magnet disposed behind the target has a high film forming speed and is excellent in mass productivity. Therefore, it is widely adopted in general. In order to further enhance the characteristics, a method of increasing the strength of the permanent magnet or electromagnet disposed on the back surface of the target to increase the magnetic field on the target surface, and applying high frequency power to the DC power supplied to the target to increase the plasma density. Some improvement studies are also underway, such as increasing the sputtering efficiency.
[0004]
In this type of magnetron sputtering method, a permanent magnet or an electromagnet composed of two pairs of magnetic poles having opposite polarities is disposed on the back surface of a target material used for film formation, and a leakage magnetic field is formed on the entire surface of the target to increase the ionization rate. A so-called magnetron sputtering cathode is used, enabling high-density plasma formation and high-speed sputtering by efficient ionization. The normal magnetron sputtering cathode is designed so that the magnetic fluxes generated from the opposing magnetic poles are just balanced and the lines of magnetic force are closed in the space in front of the target. The plasma generated in the space on the target surface is strongly trapped by the closed magnetic field lines and converges near the target surface. The thin film formed by being sputtered and deposited on the substrate can be grown without being affected by the plasma at a location away from the region near the target where the plasma is distributed. In addition, film formation with low damage is possible.
[0005]
On the other hand, a so-called unbalanced magnetron sputtering method different from the normal magnetron sputtering is also known. This method is characterized in that a magnetron cathode having a non-equilibrium magnetic field distribution is used when a film is formed using a normal magnetron sputtering method (hereinafter referred to as a balanced magnetron sputtering method).
[0006]
Here, the magnetron cathode having a non-equilibrium magnetic field distribution is the smallest half of the plane passing through the surface of the sputtering target 1 and including all the magnetic poles of the permanent magnet M or the electromagnet EM constituting the sputtering cathode, as schematically shown in FIG. It is a so-called unbalanced magnetron cathode designed so that the integral value of the perpendicular component to the plane of the leakage magnetic field in the region cut by the spaceless cylinder or prismatic region has a non-zero value (in the figure, reference numeral 2 denotes a substrate) 3 is a backing plate, and 4 is an iron yoke.) As seen in previous designs of balanced magnetron cathodes, the magnetic flux and S from a particular magnetic pole penetrating the surface of the target 1, for example, the N pole. It is characterized in that the balance with the magnetic flux to the pole is intentionally broken.
[0007]
Such an unbalanced magnetron cathode has hitherto been known, for example, as described in “J. Vac. Sci. Technol. A4 (2), pp186-202, 1986”. It is used for the formation of a hard film for the purpose of increasing the ionic current at the time of application.
[0008]
As a method of realizing a non-equilibrium magnetic field distribution, a method of operating an electromagnet (such as EM in FIG. 1) installed on the outer periphery of a balanced magnetron cathode, or a movable permanent magnet installed on the outer periphery is used. There are ways to change the position. Furthermore, there is a method in which a part of a ferrite magnet used as a balanced magnetron cathode is replaced with a strong magnet such as rare earth-cobalt or rare earth-iron-boron.
[0009]
When an unbalanced magnetron cathode having a non-equilibrium magnetic field distribution is used, the balance of the magnetic field, which is balanced in the conventional balanced magnetron cathode, is intentionally broken to move from the target toward the substrate. By forming magnetic field lines and promoting diffusion along the magnetic field lines of plasma generated in the vicinity of the target, the plasma density in the vicinity of the substrate can be increased.
[0010]
In addition, due to the increase in plasma density, the substrate surface is heated by high-temperature electron gas, the reaction in reactive sputtering is promoted, and a negative voltage is applied to the substrate to accelerate positive ions in the plasma toward the substrate. The effect of increasing the ion irradiation by bias sputtering that irradiates the substrate can be obtained, so the thin film formation, which had been required to form a film on a high-temperature substrate until now, or the hard by applying the substrate bias Effects such as improvement of film hardness in film formation are expected.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In unbalanced magnetron sputtering, diffusion of plasma formed in the vicinity of the target surface to the vicinity of the substrate is promoted, and the action of the plasma is promoted on the thin film formed on the substrate. As described above, it is possible to obtain a so-called plasma assist effect such as a low film formation temperature that cannot be realized or an increase in hardness of the hard film in bias sputtering.
[0012]
In addition, the magnetic field formed by the unbalanced magnetron cathode is different from the magnetic field distribution formed by the balanced magnetron cathode, and it has a great feature that magnetic lines of force extending from the target toward the substrate are formed. As a result, plasma formed in the vicinity of the target surface diffuses toward the substrate along the lines of magnetic force, and an increase in plasma density in the vicinity of the substrate is realized.
[0013]
The diffusion of the plasma is the greatest feature of an unbalanced magnetron cathode. However, as the present inventors have made various studies, it has been confirmed that the current unbalanced magnetron cathode causes a serious problem. It was. That is, there is often a problem of “film quality inhomogeneity in the substrate surface” which has not been a problem when a film is formed using a conventional balanced magnetron cathode.
[0014]
For example, an indium tin oxide transparent conductive film (ITO film) formed using an unbalanced magnetron cathode has a problem that the specific resistance becomes non-uniform in the substrate surface. In recent years, diamond-like carbon films (DLC films), which are being used as protective films for various members such as sliding members, dies, cutting tools, wear-resistant machine parts, abrasives, and magnetic / optical parts, It has been found that there is a problem that the hardness of the substrate has a non-uniform distribution in the substrate surface.
[0015]
Even if the current unbalanced magnetron cathode is used, the nonuniform distribution of film quality in the substrate plane can be mitigated, for example, by making the target size extremely large relative to the substrate size. Not only has to be made extremely large, but also the film formation efficiency is drastically reduced, so it lacks practicality.
[0016]
The present invention has been made paying attention to such circumstances, and its purpose is substantially the same as that used in a normal sputtering technique while maintaining the above-mentioned features of unbalanced magnetron sputtering. It is an object of the present invention to provide a magnetron sputtering method and apparatus capable of reliably obtaining a uniform film quality within the surface of a substrate having an equivalent size.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The magnetron sputtering method according to the present invention that has solved the above problems is a magnetron sputtering method for forming a film on a substrate, and is summarized in that sputtering is performed by applying a vertical magnetic field to the entire surface of the substrate. Exists. Another aspect of the present invention is a magnetron sputtering method for forming a film on a substrate, wherein the substrate is removed from a position where a magnetic field horizontal to the substrate surface is formed and sputtering is performed. The feature can be found at a certain point.
[0018]
As the sputtering cathode used in carrying out this method, an unbalanced magnetron sputtering cathode that forms a non-equilibrium magnetic field distribution is preferable, and the number of magnetic poles of a permanent magnet or an electromagnet disposed in the cathode portion is 3 or more. This is preferable because the present invention can be performed more efficiently.
[0019]
The above-described method of the present invention can be applied to various types of substrates and membrane materials, and the types thereof are not particularly limited, but in the sense of effectively utilizing the characteristics of uniform film quality provided by the present invention, In particular, it is extremely effective for forming a transparent conductive thin film, a diamond-like carbon thin film, and the like.
[0020]
The magnetron sputtering apparatus according to the present invention specifies the configuration of an apparatus that is effectively used for carrying out the above method, and the first configuration is a magnetron sputtering apparatus for forming a film on a substrate, The substrate arrangement position in the sputtering apparatus is set to a position where a vertical magnetic field is formed on the entire surface of the substrate, or the substrate arrangement position in the sputtering apparatus is set to a position deviating from the horizontal magnetic field formation position. However, it has the characteristics.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As described above, in the unbalanced magnetron cathode, the plasma generated in the vicinity of the target is not converged in the vicinity of the target as in the case of the conventional balanced magnetron cathode. It is spread to. This enables plasma assist, which is a feature of film formation employing the unbalanced magnetron sputtering method.
[0022]
However, there is no guarantee that this plasma assist effect acts uniformly in the substrate surface, and this is considered to be the cause of the nonuniform distribution of film quality in the substrate surface. This will be described with reference to FIG. 2. FIG. 2 is a schematic diagram of the right half of the diffusion state of plasma in a uniaxially symmetric circular unbalanced magnetron cathode. The plasma has a high leakage magnetic field intensity on the target 1. The generated plasma is generated at the portion A in the drawing, and the generated plasma is sequentially diffused toward the substrate 2.
[0023]
As described above, the plasma assist effect on the thin film formed on the substrate 2 has a heating effect by the high-temperature electron gas from the vicinity of the substrate 2 or a substrate bias applied to the substrate 1 to attract ions from the plasma. Since it is an ion irradiation effect when the film is formed while irradiating the substrate 2, it seems that the plasma density in the immediate vicinity of the substrate 2 becomes important in any case.
[0024]
And, when adopting the conventional method using unbalanced magnetron cathode, the cause of the non-uniform distribution of film quality within the substrate surface is the plasma assist effect within the substrate surface when this film formation method is adopted. This seems to be because no steps have been taken to make the film uniform, and in order to reduce this non-uniform distribution of film quality, it seems necessary to make the plasma density near the substrate as uniform as possible. .
[0025]
Accordingly, the present inventors have made further detailed studies including confirmation of the plasma formation status in the vicinity of the substrate.
[0026]
as a result,
1) In the unbalanced magnetron cathode as shown in FIG. 2, the plasma generated in region A in the figure diffuses to the vicinity of the substrate along the magnetic field lines indicated by solid arrows by diffusion called bipolar diffusion. thing,
2) Referring to this figure, as a diffusion path to the vicinity of the substrate, a diffusion path is formed along the magnetic field lines on the left and right as shown by the white arrows. As a result, the plasma is concentrated in the B region on the surface of the substrate 2. Spreading to the
3) This kind of plasma concentration is caused by the diffusion of plasma along the magnetic field lines, so that the magnetic field lines converge on the surface of the substrate 2, that is, the magnetic field lines are parallel to the substrate surface in the surface of the substrate 2. Place, in other words, in the region where the component perpendicular to the substrate surface of the magnetic field is zero,
4) Therefore, if such a converging region of magnetic field lines is not formed on the surface of the substrate 2, plasma concentration can be avoided and a uniform plasma assist effect can be obtained over the entire surface of the substrate.
Was confirmed.
[0027]
The present invention has been made on the basis of such knowledge. Basically, as shown in FIG. 2, the plasma assist effect is avoided by avoiding the concentration of the plasma so that the magnetic field lines do not converge on the surface of the substrate 2. As a specific means for that purpose, by applying a magnetic field perpendicular to the substrate surface to the entire surface of the substrate, the magnetic field is perpendicular to the substrate surface. In other words, if the substrate is removed from the position where a horizontal magnetic field is formed with respect to the substrate surface and sputtering is performed, the above-described magnetic field lines cannot be converged, and the entire surface of the substrate cannot be formed. It was confirmed that a uniform film can be formed over the entire area.
[0028]
In order to eliminate the place where the component perpendicular to the substrate surface of the magnetic field becomes zero and to ensure that the magnetic field perpendicular to the substrate surface acts on the entire area of the substrate surface, the cathode, coil, or other components constituting the sputtering apparatus According to the magnetic force generated by the permanent magnet or the electromagnet, the substrate placement position in the apparatus may be set to a position that deviates from the position where the magnetic field horizontal to the substrate surface is formed.
[0029]
Means for that are not particularly limited, but as a preferred specific measure,
(1) The magnetic force of either the N pole or the S pole in the unbalanced magnetron cathode is sufficiently increased, and the distance between the target and the substrate is set to an appropriate value, or
(2) Increase the number of magnetic poles from normal 2 poles to 3 poles or more and adjust their magnetic force, and arrange the substrate at an appropriate position, or
(3) A method of deflecting the vertical component of the magnetic field in the substrate plane in a fixed direction by applying a magnetic field in the vertical direction to the substrate using an additional coil.
And so on.
[0030]
Further, if possible in the configuration of the apparatus, a magnet or a coil is arranged on the back side of the substrate, that is, the opposite side not facing the target, and the vertical component of the magnetic field in the substrate surface is deflected in a certain direction. It is also effective to adopt.
[0031]
According to the present invention, using a substrate or a film forming material (target material) made of various metals, alloys, ceramics, etc., the film quality over the entire surface of the film formed on the substrate surface as described above is made uniform. Therefore, taking advantage of these features, it can be used effectively in a wide variety of applications. Specifically, it forms thin films when processing various semiconductor devices, magnetic recording media or magnetic recording heads, display panels, printer heads, and other electrical and electronic components, or forms hard coatings on sliding members, tools, and dies. It can be widely used for forming and forming hard protective films on magnetic and optical parts.
[0032]
In particular, transparent conductive thin films formed when used as transparent electrodes for flat display panels and solar cells require thin films with uniform conductivity across the entire surface, and wear protection for various molds. Diamond-like carbon thin films have recently attracted attention as hard films formed on the surface of films, hard films for tools, protective films for magnetic recording media, etc., and high homogeneity is also required to take advantage of the thin films. The present invention can be very effectively used for forming such transparent conductive thin films and diamond-like carbon thin films.
[0033]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited by the following examples, and the design is appropriately changed within a range that can meet the purpose described above and below. It is also possible to implement them, and they are all included in the technical scope of the present invention.
[0034]
Example 1
A transparent conductive (ITO) thin film was formed using an unbalanced magnetron (hereinafter abbreviated as UBM) sputtering cathode. As the UBM sputtering cathode, a non-equilibrium magnetron cathode A which is a standard UBM cathode shown in FIG. 3 was used. In the figure, 1 is a target, 3 is an iron yoke, 4 is a copper backing plate, 5 is a ground shield, and a substrate arranged above the target 1 at a predetermined interval is not shown in the drawing. Moreover, as the material of the target 1, a high-density sintered ITO target was used, and the film formation conditions were as follows.
[0035]
Sputtering gas pressure: 1 mtorr
Oxygen partial pressure: 5 × 10 ^-6 torr
Substrate: CORNING # 1737 (manufactured by Corning), thickness 0.5 mm
Substrate temperature: 200 ° C
Substrate heating method: Heating with lamp heater
Board-target distance: 75mm
Target size: diameter 6 inches, thickness 5mm
Deposition power: 350 WDC discharge
ITO film thickness: 2,000 mm.
[0036]
FIG. 7 shows the measurement result of the vertical magnetic field on the substrate at this time. Moreover, the measurement result of the specific resistance of the obtained ITO film is shown in FIG. As is clear from these figures, in this embodiment, since the vertical magnetic field is formed in the entire region in the substrate surface defined as an essential requirement in the present invention, an ITO film having a uniform film quality is formed.
[0037]
Comparative Example 1
An ITO film was formed under the same conditions as in Example 1 except that the distance between the substrate and the target was changed to 50 mm. Therefore, the UBM cathode used is the non-equilibrium magnetron cathode A shown in FIG. The measurement result of the vertical magnetic field on the substrate at this time is shown in FIG. 8, and the measurement result of the specific resistance of the obtained ITO film is shown in FIG.
[0038]
In this example, as is clear from the vector potential distribution diagram shown in FIG. 14, a part of the magnetic force lines extending from the cathode magnet form a loop near the substrate surface, and the radius is about from the center in the substrate surface. Since the vertical component of the magnetic field becomes zero near the position 23 mm away and does not satisfy the requirement of the present invention that “the vertical magnetic field acts on the entire surface of the substrate”, the film quality of the ITO film is not uniform in the diameter direction as shown in FIG. It has become.
[0039]
Comparative Example 2
The same non-equilibrium magnetron cathode A used in Example 1 and Comparative Example 1 was used, and a diamond-like carbon (DLC) film was formed using a high-density sintered carbon target as a target. The film forming conditions were as follows.
[0040]
Sputtering gas pressure: 3 mtorr
Substrate: Polished carbide substrate
Substrate temperature: room temperature (backside water cooling)
Distance between substrate and target: 50mm
Target size: diameter 6 inches, thickness 5mm
Deposition power: 1000 WDC discharge
DLC film thickness: 8,000mm
Substrate vise: -200V.
[0041]
In this case, as in Comparative Example 1, the vertical magnetic field on the substrate has a zero vertical magnetic field component at a radius of about 23 mm in the substrate plane (see FIG. 14). That is, since there is a region where the vertical component of the magnetic field becomes zero in the substrate surface and does not satisfy the requirements of the present invention, the quality of the DLC film becomes nonuniform as shown in FIG. The hardness of the DLC film is high in the region where the vertical component is zero. This is presumably because the plasma density increased in this region, and the ion irradiation effect by applying the substrate bias worked strongly.
[0042]
Example 2
As the UBM cathode, the same as the comparative example 1 except that the non-equilibrium magnetron cathode B having the structure shown in FIG. 4 (the reference numerals 1 to 5 in the figure have the same meaning and the reference numeral 6 represents an air-core coil) is used. An ITO film was formed under the conditions. In this non-equilibrium magnetron cathode B, as shown in FIG. 4, an air-core coil 6 is arranged on the outer periphery of a standard UBM cathode, and a position of 50 mm above the target 1 in FIG. A magnetic field in one direction is applied. FIG. 9 shows the measurement result of the vertical magnetic lift on the substrate at this time, and FIG. 21 shows the measurement result of the specific resistance of the obtained ITO film.
[0043]
In this example, as is apparent from the vector potential distribution shown in FIG. 15, the magnetic field distribution is corrected by applying the magnetic field from the air-core coil 6 so that the vertical component of the magnetic field in the plane of the substrate 2 is zero. As a result, the non-uniformity of the ITO film is eliminated.
[0044]
Example 3
An ITO film was formed under the same conditions as in Comparative Example 1 except that the non-equilibrium magnetron cathode C having the structure shown in FIG. 5 (the symbols in the figure represent the same meaning as described above) was used as the UBM cathode. In the unbalanced magnetron cathode C, the center magnetic pole (the magnetic pole indicated as S in FIG. 3) in the unbalanced magnetron cathode A which is a standard UBM cathode is reduced, while the ring magnet on the outer peripheral side (in FIG. 3). The magnetic pole described as N in FIG. The measurement result of the vertical magnetic field on the substrate at this time is shown in FIG. 10, and the measurement result of the specific resistance of the obtained ITO film is shown in FIG.
[0045]
As is clear from these figures, in this example, the distribution of the magnetic field lines is corrected by adjusting the sizes of the S and N magnetic poles in the same manner as in Example 2, and the vertical component of the magnetic field in the substrate plane becomes zero. By eliminating the region, non-uniformity in the quality of the ITO film obtained is eliminated.
[0046]
Example 4
An ITO film was formed using a non-equilibrium magnetron cathode D having the structure shown in FIG. 6 as the UBM cathode. The film forming conditions were the same as those in Comparative Example 1.
[0047]
In this non-equilibrium magnetron cathode D, the magnetic poles in the non-equilibrium magnetron cathode A which is a standard UBM cathode are changed from two poles to three poles as shown in FIG. 6, and magnets Ma, Mb and Mc in the figure are respectively shown. Sm · Co magnets, ferrite magnets, and Sm · Co magnets were used. In addition, the magnetic poles are arranged so that the directions are N, S, and N in order from the inside. FIG. 11 shows the measurement result of the vertical magnetic field on the substrate when this cathode is used, and FIG. 23 shows the measurement result of the specific resistance of the obtained ITO film.
[0048]
In this embodiment, as apparent from the vector potential distribution shown in FIG. 16, the distribution of the magnetic lines of force is corrected by dividing the cathode magnetic pole into three poles and adjusting the arrangement of the magnets appropriately, so that the magnetic field in the substrate plane is corrected. Since the region where the vertical component is zero is eliminated, nonuniformity in the quality of the obtained ITO film is eliminated.
[0049]
Comparative Example 3
An ITO film was formed using the non-equilibrium magnetron cathode D having the structure shown in FIG. 6 as the UBM cathode. The film forming conditions were the same as those in Comparative Example 1.
[0050]
In this example, Sm · Co magnets were used as the magnets Ma, Mb, Mc of the unbalanced magnetron cathode D. In addition, the magnetic poles were arranged in the order of N, S, N from the inside. FIG. 12 shows the measurement result of the vertical magnetic field on the substrate when this cathode is used, and FIG. 24 shows the measurement result of the specific resistance of the obtained ITO film.
[0051]
In this comparative example, as is apparent from the vector potential distribution shown in FIG. 17, the distribution and the strength of the magnet are not appropriate, and therefore the distribution of the lines of magnetic force is inappropriate. Has occurred. Moreover, as is clear from FIG. 17, the plasma diffuses to the outer peripheral side of the substrate, so that the film quality of the ITO film is greatly deteriorated on the outer peripheral side.
[0052]
Comparative Example 4
The same cathode as that used in Comparative Example 3 was used, and a DLC film was formed under the same conditions as in Comparative Example 2. At this time, as in the comparative example 3, the vertical magnetic field on the substrate is zero in the vicinity of the radius of about 47 mm from the center of the substrate surface as shown in FIG. Increases and the hardness of the DLC film is increased. That is, even in this comparative example, the DLC film having a uniform film quality cannot be formed because the requirement of the present invention that the vertical magnetic field is applied to all the regions in the substrate surface is not satisfied.
[0053]
Example 5
The non-equilibrium magnetron cathode D having the structure shown in FIG. 6 was used as the UBM cathode, and a DLC film was formed. The film forming conditions were the same as those in Comparative Example 2.
[0054]
In this example, Sm / Co magnets, ferrite magnets, and ferrite magnets are used as the magnets Ma, Mb, and Mc of the non-equilibrium magnetron cathode D, respectively, and the magnetic pole directions are N, S, and N in order from the inside. Arranged. FIG. 13 shows the measurement result of the vertical magnetic field on the substrate when this cathode is used, and FIG. 26 shows the hardness measurement result of the obtained DLC thin film.
[0055]
In this example, by dividing the cathode magnetic pole into three poles and making the arrangement positions of the respective magnets proper, the distribution of the magnetic field lines is well corrected to eliminate the region where the vertical component of the magnetic field in the substrate plane is zero. Thus, the nonuniformity of the quality of the obtained DLC film is eliminated.
[0056]
【The invention's effect】
The present invention is configured as described above, and a uniform thin film made of various metals, alloys, ceramics, etc. can be reliably obtained on the surface of an arbitrary substrate, so that a transparent conductive thin film or diamond-like carbon can be obtained. Thin film formation when processing various semiconductor devices such as thin films, magnetic recording media or magnetic recording heads, display panels, printer heads, and other electrical and electronic components, or hard coatings on sliding members, tools and molds It can be widely used for forming hard protective films on magnetic and optical parts.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a sputtering situation using a magnetron cathode having a non-equilibrium magnetic field distribution.
FIG. 2 is a schematic view showing a plasma diffusion state during sputtering using a magnetron cathode having a non-equilibrium magnetic field distribution.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the structure of a non-equilibrium magnetron cathode A used in the examples.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the structure of a non-equilibrium magnetron cathode B used in the examples.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the structure of a non-equilibrium magnetron cathode C used in the examples.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the structure of a non-equilibrium magnetron cathode D used in the examples.
7 is a diagram showing a vertical magnetic field distribution in the substrate surface in Example 1. FIG.
8 is a view showing a vertical magnetic field distribution in a substrate surface in Comparative Example 1. FIG.
9 is a view showing a vertical magnetic field distribution in the substrate surface in Example 2. FIG.
10 is a view showing a vertical magnetic field distribution in a substrate surface in Example 3. FIG.
11 is a view showing a vertical magnetic field distribution in a substrate surface in Example 4. FIG.
12 is a view showing a vertical magnetic field distribution in a substrate surface in Comparative Example 3. FIG.
13 is a view showing a vertical magnetic field distribution in a substrate surface in Example 5. FIG.
14 is a diagram showing a vector potential distribution of magnetic lines of force when carrying out Comparative Example 1. FIG.
15 is a diagram showing a vector potential distribution of magnetic lines of force when Example 2 is carried out. FIG.
FIG. 16 is a diagram illustrating a vector potential distribution of magnetic lines of force when Example 4 is performed.
17 is a diagram showing a vector potential distribution of magnetic lines of force when carrying out Comparative Example 3. FIG.
18 is a graph showing the relationship between the distance from the center position and the specific resistance of the ITO film obtained in Example 1. FIG.
19 is a graph showing the relationship between the distance from the center position and the specific resistance of the ITO film obtained in Comparative Example 1. FIG.
20 is a graph showing the relationship between the distance from the center position and the hardness of the DLC film obtained in Comparative Example 2. FIG.
21 is a graph showing the relationship between the distance from the center position and the specific resistance of the ITO film obtained in Example 2. FIG.
22 is a graph showing the relationship between the distance from the center position and the specific resistance of the ITO film obtained in Example 3. FIG.
23 is a graph showing the relationship between the distance from the center position and the specific resistance of the ITO film obtained in Example 4. FIG.
24 is a graph showing the relationship between the distance from the center position and the specific resistance of the ITO film obtained in Comparative Example 3. FIG.
25 is a graph showing the relationship between the distance from the center position and the hardness of the DLC film obtained in Comparative Example 4. FIG.
26 is a graph showing the relationship between the distance from the center position and the hardness of the DLC film obtained in Example 5. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Sputtering target
2 Substrate
3 Backing plate
4 Iron yoke
5 Earth shield
M Permanent magnet
EM electromagnet

Claims

An unbalanced magnetron sputtering method for forming a film on a substrate, in which sputtering is performed by applying a vertical magnetic field to the entire surface of the substrate so as to eliminate a place where the magnetic field component perpendicular to the substrate surface is zero. An unbalanced magnetron sputtering method.

The board, unbalanced magnetron sputtering method according to claim 1, characterized in that to the outside from a position for forming a horizontal magnetic field to the substrate surface.

The unbalanced magnetron sputtering method according to claim 1 or 2 , wherein the number of magnetic poles of a permanent magnet or an electromagnet disposed in the cathode portion is three or more.

The unbalanced magnetron sputtering method according to any one of claims 1 to 3 , wherein the film is a transparent conductive thin film.

The unbalanced magnetron sputtering method according to any one of claims 1 to 4 , wherein the film is a diamond-like carbon thin film.

An unbalanced magnetron sputtering apparatus for forming a film on a substrate, wherein the position of the substrate in the sputtering apparatus is such that there is no place where the magnetic field component perpendicular to the substrate surface is zero . An unbalanced magnetron sputtering apparatus characterized by being set at a position where a vertical magnetic field is formed on the entire surface.